Application de l'intelligence artificielle à la prédiction de la demande en eau chaude domestique et en électricité pour le contrôle par modèle prédictif dans les bâtiments résidentiels

Autor: Maltais, Louis-Gabriel
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2022
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Druh dokumentu: Texte::Thèse::Thèse de doctorat
Popis: Le secteur du bâtiment représente plus du tiers de la consommation énergétique et des émissions de gaz à effet de serre mondiales. Face à cet enjeu, des stratégies passives ont permis d'améliorer l'efficacité énergétique des bâtiments. À mesure que les technologies passives se rapprochent de leur limite physique d'efficacité, il devient nécessaire de s'intéresser à des technologies actives. Les stratégies de contrôle par modèle prédictif ont le potentiel de réduire la consommation énergétique des systèmes de chauffage, climatisation, ventilation, conditionnement de l'air et de production d'eau chaude domestique. Une difficulté limitant leur implantation dans les bâtiments provient du besoin de prédire des paramètres influencés par le comportement des occupantes et des occupants qui apparait stochastique, complexifiant le développement de modèles de prédiction. Dans ce contexte, cette thèse se concentre à évaluer des méthodes basées sur les données pour estimer la prédictibilité de la consommation d'eau chaude domestique et d'électricité dans un bâtiment résidentiel. L'impact d'une prédictibilité variable sur les performances est évalué lors de l'implémentation de ces modèles de prédiction dans des contrôleurs par modèle prédictif appliqués à des systèmes de production d'eau chaude domestique. Premièrement, la prédictibilité des profils de consommation d'eau chaude est évaluée à partir de profils mesurés dans un bâtiment résidentiel de 40 logements. Plus précisément, des réseaux de neurones sont entraînés à prédire cette consommation pour des systèmes de tailles variables allant d'un à 100 logements. Le niveau de prédictibilité est identifié comme étant proportionnel au nombre de logements et hautement variable pour des systèmes unifamiliaux, passant de très faible à élevé (c.-à-d., coefficient de détermination allant de 8 à 92% avec une moyenne de 58%). Les résultats montrent une difficulté à prédire précisément les pics de consommation, souvent sous-estimés lorsqu'une faible prédictibilité est observée. Puisqu'un contrôleur par modèle prédictif base ses décisions sur les prédictions, une faible prédictibilité pourrait impacter les performances en termes d'économie d'énergie et de respect des contraintes applicables à un système de production d'eau chaude. Deuxièmement, l'impact du niveau de prédictibilité des profils de consommation d'eau chaude sur les performances de contrôleurs par modèle prédictif est estimé. Les performances d'un contrôleur par modèle prédictif théorique employant des prédictions parfaitement précises sont comparées avec celles obtenues avec un contrôleur employant des prédictions imparfaites produites par les réseaux de neurones entraînés précédemment. Pour un système unifamilial, le principal effet des prédictions imparfaites sur les performances est le non-respect plus fréquent des contraintes de température dû à une incapacité à agir suffisamment en avance en préparation aux futurs pics de consommation d'eau chaude sous-estimés. Néanmoins, en comparaison avec une commande traditionnelle, des économies d'énergie allant de 4 à 8% ont été obtenues avec le contrôleur employant les prédictions imparfaites. En prédisant les périodes de pointe énergétique, les contrôleurs par modèle prédictif ont la capacité de réduire les pointes de consommation énergétique en déplaçant une partie de cette consommation vers les périodes hors-pointes. Dans cette optique, plusieurs modèles de prédiction basés sur les données sont entraînés afin de prédire la consommation d'électricité de logements unifamiliaux liée à l'éclairage et à l'utilisation des prises de courant sur plusieurs horizons allant de 10 minutes à 24 heures. Les arbres de décision renforcés (boosted) par le gradient sont identifiés comme étant la méthode produisant la meilleure qualité de prédiction. Une grande variabilité quant au niveau de prédictibilité est observée entre les logements, ce qui pourrait affecter la capacité des contrôleurs à réduire la consommation énergétique de pointe dans certains cas. Finalement, un dernier chapitre explore le potentiel d'un contrôleur par modèle prédictif employant les modèles de prédiction de la demande en eau chaude et de la consommation d'électricité pour prédire les périodes de pointe. Les résultats démontrent une plus grande différenciation entre les contrôleurs par modèle prédictif avec prédictions parfaites et imparfaites, le premier permettant de réduire d'avantage la consommation énergétique de pointe du chauffe-eau en prédisant plus précisément les périodes de pointe ainsi que la demande en eau chaude domestique correspondante. En comparaison avec la commande traditionnelle, des économies d'énergie pendant les périodes de pointe allant de 10 à 70% (moyenne de 26%) selon l'unité résidentielle étudiée ont été obtenues avec le contrôleur basé sur les prédictions imparfaites. Globalement, cette thèse représente un grand pas vers l'application future des contrôleurs par modèle prédictif basés sur l'apprentissage machine dans les bâtiments résidentiels, et les résultats obtenus démontrent le potentiel de cette stratégie de contrôle face à la réduction de la consommation d'énergie des systèmes de production d'eau chaude domestique unifamiliaux.
The building sector accounts for more than a third of the worldwide energy consumption and greenhouse gas emissions. Facing these challenges, passive strategies have allowed to increase the energy efficiency of buildings. As these passive technologies are reaching their efficiency limits, it is necessary to turn our interest to active technologies. Model predictive control strategies have the potential to reduce the energy consumption of heating, cooling, ventilation and air conditioning as well as domestic hot water production systems. One of the challenges towards their application in buildings is the requirement to predict parameters that are influenced by occupants' behavior that appears to be stochastic. In this context, this thesis focuses on evaluating data-based methods to estimate the predictability of domestic hot water and electricity consumption profiles in a residential building. The impact of a varying predictability on the performance is evaluated by implementing these forecasting models in model predictive controllers applied to domestic hot water production systems. First, the predictability of domestic hot water consumption profiles is evaluated from profiles measured in a 40-unit case-study residential building. More specifically, neural networks are trained to predict this consumption for systems of varying size ranging between one and 100 units. The level of predictability is identified as proportional to the number of units and shows high variability for single-family systems, starting at very low and reaching high levels (i.e., coefficient of determination from 8 to 92% with a mean of 58%). Results show that accurately predicting consumption peaks is a challenge and often results in underestimating their amplitude when a low predictability is observed. As the decisions of model predictive controllers are based on predictions, a low predictability could impact their energy-saving performance and ability to respect the constraints of domestic hot water production systems. Thus, the impact of the level of predictability of hot water consumption profiles on the performance of model predictive controllers is estimated. The performance of a theoretical model predictive controller relying on perfectly accurate predictions are compared with that of a controller using imperfect predictions produced by the previously trained neural networks. In single-family systems, the main impact of imperfect predictions on the performance is more violations of the storage temperature constraint due to the inability to act sufficiently in advance in preparation of underestimated future hot water consumption peaks. Nonetheless, comparing with a traditional controller, energy savings from 4 to 8% were obtained with the predictive controller relying on imperfect forecasts. By predicting energy-peak periods, the predictive controllers have the ability to reduce peak energy consumption by moving parts of the energy consumption to off-peak periods. In this context, many data-based prediction models are trained to predict the plug load and lighting electricity consumption of single-family residential units over horizons of 10 minutes to 24 hours. Gradient-boosted regression trees are identified as the method providing the highest prediction quality. A high variability is observed for the level of predictability between residential units, which could affect the controllers' ability to reduce electricity consumption peaks in some cases. Finally, a last chapter explores the potential of a model predictive controller using the prediction models of the domestic hot water demand and of the electricity consumption to forecast electricity-peak periods. As the electricity consumption was demonstrated as challenging to predict in many contexts, the impact of forecasting inaccuracies on the performance of controllers is even more displayed here. The results show that the model predictive controllers with perfect or imperfect predictions are more differentiated, with the first managing to reduce more the electricity-consumption peaks of the water heater by accurately predicting peak periods along with the corresponding domestic hot water demand. Compared with a traditional controller, peak-period energy savings ranging from 10 to 70% (mean of 26%) were obtained with the controller relying on imperfect forecasts depending on the studied residential unit. Globally, this thesis is a major step towards future application of model predictive controllers based on machine learning in residential buildings. The results demonstrate the potential of this control strategy to reduce the energy consumption of single-family domestic hot water systems.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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